Interacción de los Ultrasonidos con los Tejidos y su Aplicación en Ecografía

Los ultrasonidos interactúan con los tejidos biológicos de manera compleja, y esta interacción depende de diversas propiedades físicas, como la frecuencia de las ondas ultrasónicas, la naturaleza de los tejidos y la distancia que deben recorrer las ondas a través de estos. Las ondas ultrasónicas son ondas mecánicas de alta frecuencia que se utilizan en la imagenología médica para explorar estructuras internas del cuerpo. La interacción de estas ondas con los tejidos afecta directamente la calidad y la resolución de las imágenes obtenidas.

Frecuencia y resolución

La frecuencia de la onda ultrasónica, que está inversamente relacionada con su longitud de onda, tiene una influencia directa sobre la capacidad de resolución de las estructuras biológicas que se pueden examinar. Las frecuencias más altas, al tener longitudes de onda más cortas, son capaces de detectar detalles más pequeños, lo que hace posible una visualización precisa de estructuras diminutas. Esto es particularmente útil para examinar tejidos superficiales o pequeños detalles dentro de los órganos. Sin embargo, aunque las frecuencias altas ofrecen una mayor resolución, tienen la desventaja de una menor penetración a través de los tejidos.

Atenuación

A medida que las ondas ultrasónicas se propagan a través de los tejidos, experimentan una pérdida de intensidad, fenómeno conocido como atenuación. La atenuación es crucial en la práctica clínica porque limita la profundidad a la que las ondas pueden penetrar y, por lo tanto, la calidad de las imágenes que se pueden obtener de estructuras más profundas. Esta pérdida de intensidad puede atribuirse a tres procesos fundamentales: absorción, dispersión y reflexión.

• Absorción se refiere a la conversión de la energía ultrasónica en calor a medida que la onda atraviesa el tejido.

• Dispersión ocurre cuando las ondas ultrasónicas se dispersan en diferentes direcciones al encontrar estructuras heterogéneas o irregulares en los tejidos.

• Reflexión es el rebote de las ondas cuando encuentran interfaces entre diferentes tipos de tejidos, como el paso del tejido blando al hueso.

La atenuación aumenta con la profundidad a medida que las ondas ultrasónicas atraviesan más tejido, y también depende de la frecuencia de la onda. Las frecuencias más altas sufren una atenuación más pronunciada que las frecuencias más bajas, lo que significa que las ondas de alta frecuencia son menos capaces de penetrar en los tejidos más profundos sin perder su energía. Este fenómeno de atenuación puede cuantificarse mediante la expresión «capa hemirreductora» o «distancia de semipotencia», que se define como la distancia que recorre el ultrasonido antes de que su amplitud se atenúe a la mitad de su valor original.

En términos prácticos, la atenuación se puede expresar en decibelios (dB) por centímetro por megaherzio (MHz), y se observa que la atenuación en tejidos blandos varía entre 0,5 dB/cm/MHz y 1,0 dB/cm/MHz. Esto significa que, por ejemplo, si se emplea un transductor de 3 MHz para estudiar un objeto a una profundidad de 12 cm (lo que equivale a un viaje total de 24 cm de ida y vuelta), la señal que regresa será atenuada en 72 dB, lo que equivale a una reducción de la intensidad de la señal en casi 4.000 veces.

Diferencias en la atenuación entre los tejidos

Es importante señalar que la atenuación varía significativamente entre diferentes tipos de tejidos. Los tejidos blandos (como los músculos y los órganos internos) sufren una atenuación moderada en comparación con otros tejidos, como el hueso y los pulmones, que presentan una atenuación mucho mayor. Por ejemplo, la sangre tiene una atenuación relativamente baja, lo que permite una mayor penetración de las ondas ultrasónicas, mientras que el hueso, debido a su densidad y estructura, refleja en gran medida las ondas ultrasónicas y presenta una atenuación mucho más alta. Este fenómeno limita la capacidad de los ultrasonidos para penetrar eficazmente en los huesos, lo que puede representar un desafío en la evaluación de estructuras óseas.

La propagación de las ondas ultrasónicas a través de un medio está fuertemente influenciada por las propiedades físicas del medio, en particular por su impedancia acústica. La impedancia acústica (Z) es una medida que describe cómo un material resiste el paso de una onda acústica y se define como el producto de la velocidad del sonido en el medio (v) y la densidad del material (ρ):

Z=v⋅ρ

donde:

• $v$ es la velocidad de propagación del sonido en el medio, medida en metros por segundo ($m/s$),

• $\rho$ es la densidad del medio, medida en kilogramos por metro cúbico (kg/m3kg/m^3kg/m3).

Velocidad y dirección del haz de ultrasonidos

La velocidad y la dirección del haz de ultrasonidos dependen directamente de la impedancia acústica del medio por el que viaja. En un medio homogéneo (es decir, un medio con propiedades físicas constantes a lo largo de su volumen), la densidad y la rigidez del material son los factores predominantes que determinan el comportamiento del sonido. En este caso, el haz de ultrasonidos viajará en línea recta a una velocidad constante, la cual estará determinada por la combinación de la densidad y la rigidez (o elasticidad) del medio.

La rigidez del medio, en términos físicos, se refiere a la capacidad del material para resistir deformaciones cuando una fuerza es aplicada sobre él. En medios más rígidos (como el hueso), las ondas ultrasónicas viajan a mayor velocidad que en medios menos rígidos, como los tejidos blandos. La densidad, por otro lado, determina cuán «pesado» es el material, afectando la facilidad con la que las ondas ultrasónicas se propagan a través de él. En general, un material de mayor densidad ofrecerá una mayor impedancia acústica.

Variación de impedancia acústica y reflexión

Cuando un haz de ultrasonidos se encuentra con una frontera entre dos medios con impedancias acústicas diferentes, se produce una interacción compleja. Parte de la energía de la onda ultrasónica se refleja, otra se refracta (cambia de dirección) y, en menor medida, una parte continúa su camino a través del nuevo medio. La cantidad de energía reflejada o transmitida depende del grado de desajuste o desequilibrio entre las impedancias acústicas de los dos medios en cuestión.

Este desequilibrio acústico crea lo que se conoce como una discontinuidad en la propagación del sonido, y cuanto mayor sea la diferencia entre las impedancias de los dos medios, mayor será la cantidad de energía reflejada en lugar de transmitida. En términos generales:

• Reflexión: La parte de la onda que se refleja hacia el transductor (o hacia el punto de origen) es aquella que encuentra un cambio abrupto en la impedancia acústica, como sucede al pasar del tejido blando al hueso.

• Refracción: Parte de la onda atraviesa la frontera, pero cambia de dirección debido a la diferencia de impedancia entre los dos medios. Este fenómeno es similar a lo que ocurre cuando un rayo de luz atraviesa el agua y cambia su dirección.

• Transmisión: Parte de la energía continua su propagación en línea recta, aunque puede verse atenuada dependiendo de las propiedades del medio.

Las variaciones en la impedancia acústica entre diferentes tejidos del cuerpo son esenciales para la formación de imágenes. Los tejidos blandos (como los músculos o los órganos internos) tienen una impedancia acústica más baja en comparación con los huesos o huesos, lo que genera un mayor grado de reflexión en las interfaces entre estos tejidos. Este fenómeno es fundamental para la obtención de imágenes, ya que las ondas reflejadas permiten que el transductor reciba la información necesaria para crear una imagen de las estructuras internas del cuerpo.

Por ejemplo, cuando un haz de ultrasonidos se encuentra con un borde entre el hueso y el tejido blando (como ocurre en los músculos o en los órganos internos), gran parte de la energía será reflejada en la interfaz. La diferencia de impedancia acústica entre el hueso y el tejido circundante es significativa, lo que provoca una alta cantidad de reflexión y, por tanto, una imagen de alta intensidad en esa zona. En cambio, la transición entre tejidos similares (como entre distintos tipos de órganos) generará menos reflexión, lo que puede resultar en imágenes menos contrastadas.

La interacción del haz de ultrasonidos con las interfaces acústicas en el cuerpo es la base fundamental de la formación de imágenes en la ecografía. Este proceso depende de los fenómenos físicos de reflexión y refracción, los cuales están regidos por las leyes de la óptica y son sensibles a varios factores, como el ángulo de incidencia de las ondas ultrasónicas y la diferencia en las impedancias acústicas de los medios que interfieren con el haz. En este contexto, la comprensión de cómo las ondas ultrasónicas interactúan con las interfaces es esencial para comprender cómo se generan las imágenes ecográficas.

Reflexión y refracción: leyes ópticas aplicadas

Cuando un haz de ultrasonidos incide sobre una interfaz entre dos medios con diferentes impedancias acústicas, parte de la energía se refleja y otra parte se refracta (cambia de dirección). Estos fenómenos siguen principios semejantes a los de la óptica, como la ley de Snell, que describe la refracción, y la ley de reflexión, que establece que el ángulo de incidencia es igual al ángulo de reflexión.

La cantidad de reflexión o refracción depende principalmente de dos factores:

1. El ángulo de incidencia: Es el ángulo en el que el haz ultrasónico llega a la interfaz. Si el ángulo de incidencia es perpendicular a la superficie de la interfaz, la mayor parte de la energía se transmitirá hacia el nuevo medio, con poca reflexión. Sin embargo, si el ángulo es oblicuo, una mayor proporción de la energía se reflejará.

2. La diferencia en impedancia acústica: La magnitud de la diferencia en impedancia acústica entre los dos medios (por ejemplo, entre tejido blando y hueso) determina cuánta energía se refleja en la interfaz. Cuanto mayor es esta diferencia, mayor será la cantidad de energía reflejada. Por ejemplo, el cambio entre un tejido muscular (que tiene una impedancia acústica intermedia) y un hueso (con una impedancia acústica mucho más alta) generará una alta reflexión de las ondas ultrasónicas.

Efecto de la refracción

La refracción ocurre cuando parte de la onda ultrasónica atraviesa la interfaz pero cambia su dirección al entrar en el nuevo medio, dependiendo de la diferencia en las velocidades de propagación de las ondas en cada medio. Aunque la refracción es más común en medios que tienen diferentes velocidades acústicas y no necesariamente tan marcadas diferencias en impedancia, también puede ocurrir cuando existen pequeñas variaciones en la velocidad del sonido dentro de los distintos tejidos. Las ondas pueden desviar su trayectoria, lo que puede influir en la forma en que las imágenes ecográficas son interpretadas.

La importancia del gel de acoplamiento acústico

Un aspecto fundamental para asegurar la calidad de las imágenes ecográficas, especialmente en estudios transtorácicos (como los realizados sobre la piel), es el uso de un gel de acoplamiento acústico. Este gel cumple una función crucial en la transmisión de las ondas ultrasónicas desde el transductor hacia los tejidos del cuerpo.

Sin el gel, la principal interfaz acústica sería la superficie de la piel, que está en contacto con el aire. El aire tiene una impedancia acústica extremadamente baja en comparación con los tejidos humanos, lo que significa que cuando el haz de ultrasonidos se encuentra con la interfase aire-tejido, más del 99 % de la energía de la onda se reflejaría de vuelta hacia el transductor, sin penetrar en el cuerpo. Esta enorme reflexión se debe a que la diferencia en la impedancia acústica entre el aire (que tiene una impedancia muy baja) y los tejidos corporales (que tienen una impedancia mucho mayor) es extremadamente alta. Esto impediría la transmisión eficiente de la onda ultrasónica y, como resultado, afectaría gravemente la calidad de la imagen.

El gel de acoplamiento actúa como un medio intermedio entre el transductor y la piel, eliminando la interfase aire-tejido y permitiendo que las ondas ultrasónicas se transmitan de manera eficiente hacia el cuerpo. El gel tiene una impedancia acústica similar a la de los tejidos humanos, lo que reduce significativamente la cantidad de energía reflejada en la interfase aire-tejido y permite que una mayor proporción de la energía del ultrasonido sea transmitida hacia el cuerpo. Al aumentar la cantidad de energía que penetra en el cuerpo y se refleja desde los tejidos internos, se mejora considerablemente la calidad de la imagen ecográfica.

La interacción de las ondas ultrasónicas con los tejidos durante la ecografía da lugar a diversos fenómenos de reflexión, los cuales son fundamentales para la creación de imágenes. Estos fenómenos dependen en gran medida de las características y el tamaño relativo de las estructuras que el haz de ultrasonidos encuentra en su camino. Las estructuras pueden clasificarse, en términos de cómo reflejan las ondas ultrasónicas, en dos tipos principales de ecos: ecos especulares y ecos de dispersión.

Ecos especulares

Los ecos especulares se generan cuando el haz ultrasónico interactúa con estructuras grandes en relación con la longitud de onda del ultrasonido. Estas estructuras actúan como reflectores que redirigen la mayor parte de la energía hacia el transductor, lo que produce una señal reflejada fuerte y clara. Las superficies que son grandes en comparación con la longitud de onda del ultrasonido pueden reflejar una proporción significativa de la energía que incide sobre ellas, y la intensidad de la señal reflejada dependerá, entre otros factores, del ángulo de incidencia de la onda ultrasónica.

Un ejemplo clásico de reflectores especulares son las superficies endocárdicas y epicárdicas del corazón, que son grandes y bien definidas en términos de tamaño en relación con las ondas ultrasónicas. Otras estructuras como las válvulas cardíacas y el pericardio también sirven como reflectores especulares. En estos casos, los ecos generados son bastante intensos, ya que una mayor parte de la energía del ultrasonido se refleja hacia el transductor, lo que facilita la visualización de estas estructuras en la imagen ecográfica. Además, la orientación espacial de estos reflectores y la forma en la que se presentan en el campo de visión son determinantes para la dirección de los ecos especulares.

Ecos de dispersión

Por otro lado, los ecos de dispersión se generan cuando el haz de ultrasonidos interactúa con estructuras pequeñas que son comparativamente más pequeñas que la longitud de onda de la onda ultrasónica. Estas estructuras son conocidas como cuerpos dispersores de Rayleigh. En este caso, las ondas ultrasónicas se dispersan en muchas direcciones, lo que da lugar a una difracción de las ondas. Los ecos resultantes son más débiles que los ecos especulares y tienen una amplitud mucho menor.

La dispersión ocurre principalmente debido a las pequeñas estructuras dentro de los tejidos, como las células, los pequeños componentes extracelulares o las interfaces pequeñas entre diferentes tipos de tejido. La cantidad de energía que se refleja de estas estructuras es mucho menor que la que se refleja de los grandes reflectores especulares, lo que significa que los ecos de dispersión contribuyen con señales más débiles al transductor.

A pesar de que la intensidad de los ecos de dispersión es considerablemente más baja, su importancia clínica es indiscutible. Estos ecos son responsables de algunos efectos importantes en las imágenes ecográficas, como la visualización de superficies que están paralelas al haz ultrasónico. Además, los ecos de dispersión son fundamentales para distinguir la textura de los tejidos en la imagen en escala de grises. Esto es crucial para la evaluación de estructuras más pequeñas o menos definidas, donde la reflexión especular no es tan prominente.

El fenómeno del «speckle» (mota o punto)

Un concepto relacionado con los ecos de dispersión es el fenómeno del «speckle» (punto o mota). El speckle es el término utilizado para describir el patrón granular o moteado que aparece en las imágenes ecográficas debido a las interacciones del haz ultrasónico con una gran cantidad de pequeños reflectores dentro de una unidad de resolución del sistema. Este patrón se origina principalmente por los ecos de dispersión generados por las pequeñas estructuras dentro del tejido que reflejan las ondas ultrasónicas.

Sin la capacidad de registrar estos ecos de dispersión, la imagen ecográfica sería mucho menos detallada y precisa. Por ejemplo, en el caso de la pared del ventrículo izquierdo, sin los ecos de dispersión, las superficies endocárdica y epicárdica podrían aparecer como dos líneas brillantes sin detalles intermedios. Gracias a los ecos de dispersión, sin embargo, se pueden ver las estructuras intermedias y obtener una representación más precisa de la anatomía y la textura del tejido, como las fibras musculares del ventrículo.

Este fenómeno del speckle también juega un papel importante en la mejora de la resolución espacial de la imagen y en la discriminación de la textura de los tejidos blandos, lo que permite distinguir estructuras más pequeñas y detalles que de otro modo podrían pasar desapercibidos.

La interacción entre un haz de ultrasonidos y los reflectores del tejido depende en gran medida del tamaño relativo de los reflectores (dianas) y de la longitud de onda del ultrasonido. Esta relación entre el tamaño de las estructuras y la longitud de onda es crucial para comprender cómo se producen los ecos y cómo se pueden utilizar las imágenes ecográficas para visualizar diferentes tipos de estructuras en el cuerpo.

Speckle Tracking y el movimiento del miocardio

Un fenómeno interesante que surge de las interacciones aleatorias de los puntos ecorrefringentes (o speckles) en los tejidos es la posibilidad de seguir regiones específicas del tejido a lo largo del tiempo y el espacio. Estos puntos ecorrefringentes tienen una distribución aleatoria en una pequeña región de interés (ROI) y, aunque son aleatorios, permanecen relativamente constantes a lo largo del ciclo cardíaco. Este comportamiento puede aprovecharse mediante una técnica conocida como speckle tracking.

El speckle tracking permite seguir la posición de una región en el miocardio (por ejemplo, en el ventrículo izquierdo) a lo largo del ciclo cardíaco. Un uso común de esta técnica es para cuantificar el movimiento rotacional (o torsión) del miocardio durante la contracción y relajación del corazón. Al no depender de la técnica Doppler y no requerir un ángulo específico de medición, el speckle tracking puede ser más preciso y versátil en el análisis de la función cardíaca.

La relación entre el tamaño de la diana y la longitud de onda

Como se mencionó anteriormente, la reflexión del ultrasonido al encontrar un reflector depende de la relación entre el tamaño del objeto y la longitud de onda del ultrasonido. Este principio es similar a la forma en que la luz interactúa con objetos de diferentes tamaños: un objeto debe tener un tamaño aproximadamente comparable con la longitud de onda para que pueda reflejarse de manera efectiva.

De manera más específica, el grosor o perfil del objeto debe ser al menos la cuarta parte de la longitud de onda del ultrasonido para que se produzca una reflexión significativa. Esto implica que, si se desea visualizar estructuras más pequeñas, se necesitarán frecuencias más altas (lo que conlleva una longitud de onda más corta).

Frecuencia del ultrasonido y resolución

En la práctica clínica, la frecuencia del ultrasonido utilizada en ecocardiografía generalmente varía entre 2 y 8 MHz. La elección de la frecuencia tiene implicaciones directas en la resolución de las imágenes y en la capacidad de penetración del ultrasonido a través de los tejidos:

• Frecuencias bajas (por ejemplo, 2 MHz) proporcionan una mayor penetración de las ondas ultrasónicas, lo que permite estudiar estructuras más profundas en el cuerpo. Sin embargo, esto se hace a costa de una menor resolución espacial, ya que las ondas de baja frecuencia tienen longitudes de onda más largas y no pueden distinguir objetos pequeños con tanta precisión.

• Frecuencias altas (por ejemplo, 8 MHz) proporcionan mejor resolución y la capacidad de visualizar estructuras pequeñas más claramente, debido a que las ondas de alta frecuencia tienen longitudes de onda más cortas. Sin embargo, la penetración de las ondas es menor, ya que la energía de estas ondas se atenua más rápidamente a medida que viajan a través de los tejidos. Esto limita su capacidad para visualizar estructuras profundas en el cuerpo.

Atenuación y dispersión

Un factor importante a tener en cuenta es la atenuación de la energía del ultrasonido a medida que atraviesa los tejidos. La atenuación se refiere a la pérdida de energía del haz de ultrasonidos debido a la absorción, reflexión y dispersión dentro de los tejidos. Cuando el ultrasonido de alta frecuencia se refleja por muchas pequeñas interfaces dentro del tejido (como las fibras musculares o los componentes celulares), parte de la energía se dispersa en diversas direcciones, lo que reduce la cantidad de energía disponible para penetrar más profundamente en el cuerpo.

• A medida que la frecuencia del ultrasonido aumenta, la dispersión también aumenta. Esto significa que las ondas de alta frecuencia son reflejadas y dispersadas por las pequeñas estructuras dentro del tejido, lo que disminuye la cantidad de energía que llega a las capas más profundas del cuerpo.

• Como resultado, la penetración del ultrasonido disminuye a medida que aumenta la frecuencia. Esto plantea un compromiso entre la resolución (mejorada con frecuencias altas) y la profundidad de penetración (mejorada con frecuencias bajas).

Reflexión, refracción y homogeneidad del medio

Además de la frecuencia, la homogeneidad del medio a través del cual viaja el ultrasonido también influye en los fenómenos de reflexión y refracción. En tejidos más homogéneos, como el agua o el líquido amniótico, las ondas ultrasónicas tienden a penetrar de manera más uniforme. Sin embargo, a medida que el medio se vuelve más heterogéneo (como en el caso del miocardio o el hueso), la reflexión y la refracción aumentan, y las ondas ultrasónicas se dispersan más, lo que reduce la cantidad de energía que penetra más profundamente.

 

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Fuente y lecturas recomendadas:

1. Feigenbaum, H. (2011). Feigenbaum’s echocardiography (7.ª ed.). Wolters Kluwer Health España.
2. Spratt, J. D., Miner, J., & Weir, J. (2021). Weir y Abrahams. Atlas de anatomía humana por técnicas de imagen (11.ª ed.). Elsevier.
3. Bowra, J. (Ed.). (2020). Ecografía fácil para medicina de urgencias (3.ª ed.). Elsevier.

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